硅基絕緣材料在軌道絕緣技術中的應用

劉國平

(青島地鐵集團有限公司，266001，青島∥高級工程師)

隨著近年來市內地鐵線網的逐漸形成，地鐵雜散電流泄漏對外界金屬設施所造成的影響也愈受重視，已引發相關產權單位的強烈維權[1-2]。地鐵雜散電流形成的首要途徑，是鋼軌上流過的電流透過軌道對地絕緣薄弱區域向大地中泄散，因此國家及軌道交通行業對于地鐵軌道絕緣性能一直有著明確的要求。以行業標準為例，CJJ/T 49—2020《地鐵雜散電流腐蝕防護技術標準》中明確規定軌道絕緣性能指標，即鋼軌的對地電阻不應低于15 Ω km[3]。

當前對于地鐵雜散電流的研究更多著重于雜散電流產生之后的防護措施，如對雜散電流的智能化監測、收集、排流、日常維護和陰極保護等方面。地鐵線路中的軌道絕緣薄弱問題，同時也是雜散電流最直接來源的問題。受限于工程成本和線路每日運營要求，往往缺乏真正有效的整改技術。

1 復合絕緣技術方案

結合硅基納米絕緣材料，本文提出一種能夠阻斷回流軌電流泄漏路徑的復合絕緣技術，簡稱為軌道復合絕緣技術。使用該技術的軌道簡稱為復合絕緣軌道。

軌道復合絕緣技術采用雙層物理絕緣設計。軌道復合絕緣技術的第一層次為硅基復合絕緣墊層。該墊層又分為三層，即底層絕緣層、中間增強層和表面防污層；其中，絕緣層提供強絕緣功能，增強層提供高強度功能，防污層提供表面防污染及防閃絡功能。軌道復合絕緣技術第二層次絕緣設計是對扣件上彈條、螺栓等關鍵位置噴涂室溫硫化硅基材料。該材料具有較強的絕緣性能及耐污閃能力，可有效提升扣件表面電阻。

2 試驗驗證分析

選取運營線路中常見的軌道結構，進行老化、疲勞、電氣絕緣對比試驗，驗證軌道復合絕緣技術的效果和穩定性。

2.1 老化試驗

模擬我國亞熱帶濕度環境和飽和濕度環境，對軌道復合絕緣技術中的相關絕緣材料(簡稱“RTV材料”)，進行高溫高濕狀態下的老化試驗。試驗中環境溫度選擇為40 ℃，環境濕度選擇為75%和96%，試驗完成后采用電鏡掃描來分析材料特性。

通過電鏡掃描照片發現，經過3 600 h的高溫、高濕環境老化試驗后，RTV材料與被涂刷絕緣體之間的界面沒有出現分層現象和脫落跡象；且材料交接處變得模糊，兩種材料之間出現了相互滲透的趨勢。這表明軌道復合絕緣技術中所使用的絕緣材料可保證粘接效果在惡劣環境下的長期穩定性。

2.2 疲勞試驗

在疲勞試驗中，首先，分析復合絕緣軌道和普通軌道的聯結結構在進行疲勞試驗前的性能指標差異性[4]。選取普通扣件組裝的軌道為對照組，其中，令扣件絕緣材料為聚氨酯材料的普通軌道為對照組1，采用橡膠材料的普通軌道作為對照組2；在對照組1、對照組2的基礎上使用軌道復合絕緣技術的軌道分別作為試驗組1、試驗組2。普通軌道與復合絕緣軌道的扣件力學性能對比如圖1所示。

根據圖1的數據可得，兩種扣件材料類型的對照組與試驗組力學性能指標基本一致，相差比例最大值為4.8%，變化范圍為1%～5%。

圖1 普通軌道與復合絕緣軌道的力學性能對比

隨后，在實驗室環境中開展針對復合絕緣軌道試驗組1、試驗組2的300萬次疲勞性試驗，以評價軌道復合絕緣技術的性能穩定性。測試項目包括靜剛度、動剛度、軌道縱向阻力、扣件扣壓力、絕緣電阻等。

由圖2的數據可得，試驗組1、試驗組2的力學性能指標相差比例最大值為6.12%，變化范圍為3%～7%，其中使用聚氨酯材料的試驗組1性能變化幅度稍大于使用絕緣材料的試驗組2；電學性能方面，試驗組1、試驗組2的扣件絕緣電阻在經過疲勞試驗后均有不同程度的降低，最大降低幅度達到72.1%，其中使用聚氨酯材料的試驗組1性能變化幅度稍大于使用絕緣材料的試驗組2；但試驗組1、試驗組2絕緣電阻數值仍明顯高于對照組軌道絕緣電阻1×105倍以上。

圖2 復合絕緣軌道的力學性能疲勞試驗

2.3 電氣絕緣試驗

鑒于實驗室環境下的復合絕緣軌道疲勞性試驗中，電學性能指標的變化比例大于力學性能指標的變化比例，因此對普通軌道和復合絕緣軌道進行軌道絕緣的現場對比試驗。

2.3.1 扣件絕緣電阻對比試驗

對新建線路單一扣件進行軌道絕緣對比試驗[6]。按照地鐵正線常用標準建造兩塊板式道床(2.00 m長×6.25 m寬)作為新建線路試驗環境。其中，道床板和軌枕混凝土材料、配置鋼筋、施工工藝等與常規線路的正線完全一致，扣件類型為DZⅢ型。

對比試驗中將采用常規類型扣件的普通軌道設定為對照組3。對使用同樣扣件類型的復合絕緣軌道設定為試驗組3。對照組采用了普通混凝土道床、普通混凝土軌枕、常規扣件，而試驗組采用了普通混凝土道床、普通混凝土軌枕、常規扣件和軌道復合絕緣技術。由表1可見，采用了軌道復合絕緣技術的試驗組，其軌道絕緣電阻測試結果普遍高于對照組，整體較對照組高出約7倍。

表1 對照組和試驗組的絕緣電阻測試數據

2.3.2 鋼軌對地電阻對比試驗

選取兩種不同扣件型式(DTVI2型、ZX-2型)的、長度各為200 m的軌道區間，其中軌道扣件型式僅為DTVI2型或ZX-2型的普通軌道的區間分別設定為對照組4、對照組5；對使用同樣扣件類型的復合絕緣軌道區間分別設定為試驗組4、試驗組5。其中，對照組和試驗組測試長度均為200 m。濕態測試時，使用60 L自來水噴淋，將軌條及扣件反復淋濕以模擬濕態環境。

結合表2中試驗測試數據可見，使用DTVI2型扣件的軌道，在干態環境下試驗組4的鋼軌對地電阻與對照組4的相比，提升了10.1 Ω·km；在濕態環境下試驗組4的鋼軌對地電阻與對照組4的相比，提升了9.3 Ω·km。由此可見，對于使用普通DTVI2型扣件的軌道，采用軌道復合絕緣技術在干、濕態環境下均能夠顯著提升軌道對地的絕緣性能，提升效果高達70%及以上；使用ZX-2型扣件的軌道，在干態環境下試驗組5的鋼軌對地電阻較對照組5提升了13.8 Ω·km。

表2 鋼軌對地電阻測試結果

3 仿真驗證分析

隨著線路開通后每日不間斷的密集行車，扣件很容易受到隧道水汽、灰塵、車輪與鋼軌摩擦鐵屑等物質的侵蝕和附著，隨著表面污垢的累積、集聚效應，會在表面形成一層表面污垢[8]。隨著線路運營年限的增加，扣件自身也會發生老化現象。

首先，進行軌道扣件表面污垢層厚度變化對軌道絕緣性能影響的仿真分析。模型中表面污垢層厚度變化范圍設定為0.1～2.0 mm，此時表面污垢層電阻率為1×105Ω·m。復合絕緣軌道為試驗組6，普通軌道為對照組6，模型仿真結果如表3所示。在污垢層厚度變化20倍情況下，試驗組6的鋼軌對地電阻變化僅為對照組6的9.42%。

表3 表面污垢層厚度變化對鋼軌對地電阻的影響分析表

其次，進行軌道扣件老化對軌道絕緣性能影響的仿真分析。模型中設定扣件中絕緣材料的電阻率變化范圍為1×103～1×108Ω·m，數值變化了105倍；扣件表面污垢層厚度為0.3 mm，電阻率為1×105Ω·m。復合絕緣軌道用于試驗組7，普通軌道用于對照組7，模型仿真結果如表4所示。

從表4可見，試驗組7在扣件絕緣材料電阻率變化了105倍的情況下，試驗組7的鋼軌對地電阻變化僅為對照組7的0.14%。

綜合以上仿真分析結果可知，在扣件表面出現污垢層和扣件老化情況下，軌道復合絕緣技術的絕緣性能具有較好的穩定性和可靠性。

4 結論

1)150 d高溫高濕的老化試驗表明，軌道復合絕緣技術中的絕緣材料能滿足材料穩定的界面特性，不會產生分層現象，具有極高的穩定性。

2)300萬次疲勞試驗表明，軌道復合絕緣技術對軌道聯結結構的力學性能基本不構成負面影響，且電氣絕緣性能要顯著優于普通軌道。

3)現場試驗結果表明，軌道復合絕緣技術在不同扣件類型和干濕態環境下的軌道絕緣性能提升范圍為9.3～13.8 Ω·km，提升效果至少達到70%及以上。

4)仿真結果表明，軌道復合絕緣技術可有效減緩普通軌道對地絕緣性能隨時間持續降低的現象，并可有效延緩降低的比例。